JP4102999B2 - 機能素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の機能を達成する機能素子及びその製造方法に係り、特に、熱可塑性樹脂を誘電体として使用し、その表面に金属を形成した高周波用の機能素子及びその製造方法に関する。本発明は、例えば、平面アンテナ、ストリップライン、分波フィルター、その他のパッシブ回路素子に好適である。

近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナ、ストリップライン、分波フィルター等のパッシブ素子、とりわけ平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適であり、例えば、無線ＬＡＮや自動車における衝突防止用レーダのように複数の分野での応用が期待されている。ところでアンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度も微細加工技術が要求されるようになっている。

これに対して、本発明者らは、特許文献１において、プラスチックからなる誘電体と射出成形を利用して高精度に平面アンテナを製造する方法を提案している。なお、プラスチックに対する処理として特許文献２がある。また、誘電体の表面粗さとその上に形成される導体との密着性を検討したものとして特許文献３乃至５がある。
特開２００３−１１５７１８号公報 特表平１１−５０７９９０号公報 特開平６−３７５２２号公報 特開平１１−３４０３７２号公報 特開２００２−１３５０１０号公報

しかし、短波長化に適用可能なパッシブ素子に関し従来の製造方法では高精度且つ安価で生産性に優れた平面アンテナを提供することが困難になってきた。従来ではエッチング技術を用いて素子のパターンを形成していたが、微細加工がそのアンテナ特性に大きく影響を与えるため、エッチング技術では精度良く大量に生産できないという欠点を有する。

これに対し，発明者らは、射出成型法により作成した誘電体を導体で被覆してなる平面アンテナおよび、その目的に適合した熱可塑性樹脂材料を提案している（特許文献１）。しかしながら、発明者らが提示した材料を含めて、ミリ波のような短波長領域にて平面アンテナ、ストリップライン、分波フィルター等のパッシブ素子に適した特性を有する熱可塑性樹脂は一般に低極性であり、そのため導体被膜との密着性に難があることが判明した。従来このような低極性樹脂に対し導体を形成するためには、樹脂成型品の表面を予め化学的手法や物理的手法で粗化し、導体の密着性を高める手法が常用される。

しかしながらこの手法では樹脂粗化によって導体膜凹凸が生じ、これによる渦電流効果に伴う損失が、ミリ波領域では無視できなくなる。

そこで、本発明は、２０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用される機能素子において、低損失と導体−誘電体界面の密着性を両立する製造方法及び当該製造方法を用いた機能素子を提供することを例示的な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての機能素子は、誘電体と、当該誘電体を被覆する導体とを有する機能素子であって、当該機能素子は所定の周波数で動作し、前記誘電体は前記導体との界面に凹部及び／又は凸部を有し、前記誘電体の導体被覆面を平面に投影した場合に、前記凹部及び／又は凸部の前記平面において占める総面積は、前記平面における前記導体被覆面の面積の１％以上１０％以下であり、前記凹部及び／又は凸部の深さは前記周波数を利用して得られるスキンディプスの３倍以上６倍以下であることを特徴とする。かかる機能素子によれば、凹凸部の面積を１％以上に設定することによって誘電体と導体との密着性（アンカリング効果）を高めると共に、１０％以下に設定することによって動作上の損失を許容範囲に低減している。また、凹凸部の深さをスキンディプスの３倍以上にすることによって誘電体と導体との密着性（アンカリング効果）を高めると共に、６倍以下に設定することによって動作上の損失を許容範囲に低減している。前記深さは、例えば、誘電体に非晶質ポリオレフィン、導体に銅を用いた場合、１〜２μｍである。

本発明の別の側面としての機能素子は、誘電体と、当該誘電体を被覆する導体とを有する機能素子であって、前記誘電体は前記導体との界面に第１の凹部及び／又は凸部を有し、前記誘電体は前記導体にて被覆されない部分に、前記第１の凹部及び／又は凸部の表面粗さよりも大きな表面粗さ又は前記第１の凹部及び／又は凸部の深さよりも大きな深さを有する第２の凹部及び／又は凸部を有することを特徴とする。かかる機能素子は、前記誘電体は前記導体にて被覆されない部分をより粗化することによって、例えば、誘電体と、導体の腐食防止用のコーティング材料との密着性を高めることができる。

前記所定の周波数は２０ＧＨｚ又はそれ以上であってもよい。周波数２０ＧＨｚ以上の領域では、特に、損失が問題になるからである。

本発明の更に別の側面としての機能素子は、誘電体と、当該誘電体を被覆する導体とを有する機能素子であって、当該機能素子は２０ＧＨｚ以上の高周波で動作し、前記導体が被覆する部位の水に対する接触角は５０°以下であることを特徴とする。かかる機能素子によれば、前記導体が被覆する部位の水に対する接触角を小さくすることによってかかる部位と導体との密着性を高めることができる。接触角が５０°よりも大きくなると密着性が極端に低下することを本発明者らは発見した。

前記誘電体は、有機高分子からなるフィラーを含んでもよい。カカルフィラーは、例えば、凹凸を形成するのに充填される。かかるフィラーは、通常使用される、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、塩化カルシウムなどの金属塩を含まないので機能素子の動作上の損失をもたらさないので好ましい。

前記機能素子は、例えば、平面アンテナ、ストリップライン、分波フィルター等のパッシブ素子である。例えば、前記機能素子は、前記誘電体の導体被覆面の一部に前記導体で覆われないパターンを有する平面アンテナである。

本発明の別の側面としての方法は、誘電体を導体で被覆し、所定の周波数で動作する機能素子を製造する方法であって、前記誘電体の前記導体との界面に凹部及び／又は凸部を形成するステップを有し、前記形成ステップは、前記凹部及び／又は凸部の深さを、前記所定の周波数を利用して得られるスキンディプスの３倍以上６倍以下に設定し、前記誘電体の導体被覆面を平面に投影した場合に、前記凹部及び／又は凸部の前記平面において占める総面積は、前記平面における前記導体被覆面の面積の１％以上１０％以下に設定することを特徴とする。かかる方法は、上述の作用を奏する機能素子を製造することができる。

本発明の更に別の側面としての方法は、誘電体を導体で被覆する機能素子を製造する方法であって、前記誘電体に凹部及び／又は凸部を形成するステップを有し、当該形成ステップは、前記誘電体と前記導体との界面に第１の凹部及び／又は凸部を形成するステップと、前記誘電体の前記導体にて被覆されない部分に、前記第１の凹部及び／又は凸部の表面粗さよりも大きな表面粗さ又は前記第１の凹部及び／又は凸部の深さよりも大きな深さを有する第２の凹部及び／又は凸部を形成するステップとを含むことを特徴とする。かかる方法は、上述の作用を奏する機能素子を製造することができる。

前記誘電体及び前記導体を被覆するステップを更に有してもよい。かかる被覆では、例えば、防水、防食等の目的で保護膜を形成してもよい。上述のように、樹脂露出部と保護膜の密着性を上げることができるので、機能素子の信頼性を上げることができる。

本発明の更に別の側面としての方法は、誘電体を導体で被覆し、２０ＧＨｚ以上の周波数で動作する機能素子を製造する方法であって、前記導体が被覆する部位の水に対する接触角が５０°以下になるように、前記部位を表面処理するステップを有することを特徴とする。かかる方法は、上述の作用を奏する機能素子を製造することができる。前記表面処理ステップは、前記誘電体の表面に気相中で行ってもよい。このように乾式表面処理は、エッチャントで処理するエッチングに比べて局所的な表面改質に好適である。前記表面処理ステップは、紫外線照射、プラズマ処理、コロナ放電の少なくとも一つを含んでもよい。

前記誘電体を射出成形、ホットプレス成形又は押し出し成形するステップを更に有してもよい。前記成形ステップは、前記誘電体と、前記誘電体の導体被覆面の一部に形成される前記導体で覆われないパターンとを一体に成形してもよい。導体で覆われないパターンと誘導体を成形法により一体に成形することが可能であるので、パターンをミクロン単位の高精度で誘導体に一体に形成することができる。かかるパターンは平面アンテナの例えば、スロットやパッチとして機能可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを寸法精度よく製造することができる。更に、射出成形法で誘導体を作成すれば一度所定のパターンを含む誘導体の金型を作成してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。成形ステップにより成形された前記所定のパターンは凸型形状又は凹型形状を有することができるが、導体が被覆される領域を凸型形状又は凹型形状としてもよい。また、前記誘電体を射出成形、ホットプレス成形又は押し出し成形するステップを更に有し、当該成形ステップは、前記誘電体と前記凹部及び／又は凸部を一体に成形してもよい。この場合には凹凸部を高精度に形成することができるので、上述の凹凸深さの制御に好適である。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は添付図面を参照して説明される好ましい実施例において明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、２０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用される機能素子において、低損失と導体−誘電体界面の密着性を両立する機能素子及びその製造方法を提供することができる。

本発明者らは、誘電体として非晶質ポリオレフィン、導体として銅を使い、誘電体基板の表面状態を変えて銅膜密着性及びミリ波損失に対する検討を行った。なお、この材料は本発明者らにより樹脂として高周波領域での誘電特性と成型材料としての高精度転写性がすでに確認されている（特許文献１を参照のこと）。

検討に用いた樹脂基板は長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１ｍｍで、押し出し成型法にて作成、この基板に対し蒸着法及びスパッタ法にて銅膜を厚さ５μｍにて形成、試料とした。

基板に対する銅膜の密着性は目視及びクロスカットテスト（ＪＩＳ５４００）により判定、ミリ波損失についてはこの基板を機械加工してミリ波導波路を作成、伝達損失を測定することで行った。

検討している樹脂基板の導体密着性が悪いのは、使用している樹脂の表面エネルギーが高いためと考えられる。これは高周波用材料には必須の特性と考えられ、材料自体を変更することは特性悪化につながる。そのため成型後の基板表面のみを親水化して表面エネルギーを下げる手法を検討した。

プラスチック表面に対する処理により接触角を低下、金属密着性を向上させた例としては特許文献２があるが、特許文献２は、プラスチック表面に存在する離型剤を除去することを目的としており、本発明のように本来表面エネルギーが高い誘電体材料に対する接着力向上とは効果が本質的に異なり、本特許で目的とする高周波用材料に適した処理条件の指標とはならない。そのため紫外線照射、プラズマ処理、コロナ放電の各法により親水化処理を施し、銅膜密着性に及ぼす効果を検討した。気相中で行うこのような乾式表面処理は、エッチャントで処理するエッチングに比べて局所的な表面改質に好適である。以下、その検討と結果を図１に示す。

表面処理の効果は処理後表面の水接触角で評価した。接触角が小さいほど親水性が高くなっている。なお、接触角の測定は表面処理後の他に、形成した銅膜をエッチングにより除去したものについても行っているが、両者の差は測定誤差内であった。また図１に示す密着性は、銅膜表面にカッターで１ｍｍ間隔に切れ目を入れることで作成した１００個の升目のうち、銅膜が浮き、剥れなしに残っている数で表してあり、これが多いほど密着性が高いことを意味している。

この結果より、実施例ではいずれも接触角の低下に従って密着性が向上し、接触角５０°以下では、本測定法の上限である残数１００に至っている。また、通常広く使われる導体密着力向上手法として樹脂基板の表面を粗化する手法がある。この方法は導体のアンカリング効果が期待でき有力な手法であるが、ミリ波領域では損失につながる。このためプラスチック基板での表面粗化の効果を把握し、影響の小さい範囲に留めることは重要である。

上述の特許文献３乃至５は、いずれも誘電体表面をサンディング等の手法で一様に粗化したものであり、ごく小さな凹凸でも損失を起こすため、元来金属膜に対する密着性の低い低損失プラスチック材料には適した手法でない。換言すれば、誘電体表面の導体被覆面の粗化は局所的である必要がある。

そのため、本実施例では、誘電体の金属被着部面積に対する凹凸部面積の占める割合を一定としつつ凹部深さを制御する手法で、凹部深さが損失に及ぼす影響を把握した。

検討に際しては、成型に用いる金型表面に予め所定寸法の突起を形成し、それを樹脂基板表面に転写する方法で基板を作成した。なお突起形状は直径１０μｍの円筒形で、突起が占める面積は全表面積に対し１０％としてある。なお、材料には非晶質ポリオレフィンを使用、成型には金型形状の転写性を考慮し、射出成型法とホットプレス法を用いた。

作成した基板は機械加工して導波路の形状とし、その表面に無電解メッキ法により銅膜を厚さ５μｍに形成、試料とした。特性の測定は波長２０ＧＨｚにて行っている。

結果を図２に示す。材料表面の粗度を表す値は各種あるが、今回の金型突起により生じる基板凹部深さはＲｍａｘに相当する。この結果より、表面粗さが２μｍ以下となると損失が小さくなり、表面の粗さを２μｍ以下に留めれば高周波特性を損なうことなしに、アンカリング効果により密着性を向上させることができる。

この損失は、誘電体をミリ波が通過する際に導体中で発生する抵抗に起因するものであり、使用する周波数や導体の種類によって効果が違ってくる。そのため、例えば更に高周波で使用する場合や、銅に替えて銅合金を使用する場合は値が異なってくる。

そのため、周波数や導体材料種に関わらない値としてスキンディプスが一般に使われる。 これは導体中で電流が流れる表皮部分の深さを示し、電磁波周波数をｆ、真空透磁率をμ_０、導体抵抗をρ、導体透電率をσとするとスキンディプスｄ＝σ^−１・（π・ｆ・μ_０・σ）^−１／２ で表される。銅膜の場合、このスキンディプスは２０ＧＨｚでは０．３３μｍとなり、図２にて確認された２μｍはスキンディプスの６倍に相当する。即ち、表面の粗さをスキンディプスの６倍以下に留めれば、周波数に関わらず、高周波特性を損なうことなしに、アンカリング効果により密着性を向上させることができる。なお、凹部深さを０．８μｍとした場合には銅形成時に割れが生じ、良好な密着性が確保できなかった。

なお、本検討においては基板表面に凹部を形成したが、これが凸部、及び凹部と凸部の混在であっても本発明の効果には本質的な差はない。

更に、本実施形態では凹凸部の占める面積の割合を１０％としているが、凹凸部の面積割合がこれより小さくなっても、深さが本発明の要件を満たすのであれば有効である。

本実施形態においては凹凸の形成に、金型表面に設けたパターンを転写する方法を採用した。しかしながら本発明の効果はこれに留まるものでなく、通常用いられるフィラー添加したプラスチックを用いても実現できる。しかしながら、通常のメッキ可能プラスチックに用いられる炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、塩化カルシウム等の金属塩をフィラーとした場合、これらが生じる誘電分極や吸着水分のため、高周波領域では損失が生じる。そのため、フィラーとしてこれら金属塩を含まない有機高分子材料を用いることにより、損失防止という効果を得ることができる。

また、この表面荒れによる損失は、導体により被覆された部分にのみ生じ、基板が露出した部分や誘電体で被覆された部分には関係しない。そのため導体により被覆された部分を導体被覆部より粗化しておくことはコスト、工程管理上も有益である。これは特に難接着性である低誘電率材料上に保護用の被膜を形成するのに有効である。

実際に非晶質ポリオレフィン基板表面に銅膜を形成した基板において、銅膜の一部を機械的に除去、樹脂露出部を紙ヤスリ（＃４００）にて粗化し、２酸化ケイ素を１μｍ厚で反応性スパッタ法により形成、密着性を評価したところ、粗化したものは銅膜、樹脂部とも良好な密着性を示した。 これに対し無処理の基板ではスパッタ後の基板取り出し時に膜が剥れ、密着性が低い結果しか得られなかった。

本実施形態の機能素子及び製造方法は、基板とその上の導体や誘電体を強固に密着させることが可能であり、これにより信頼性を高めることができる。本発明の機能素子は、例えば、平面アンテナ、ストリップライン、分波フィルター等のパッシブ素子である。例えば、前記機能素子は、前記誘電体の導体被覆面の一部に前記導体で覆われないパターンを有する平面アンテナである。例えば、平面アンテナには、特許文献１に開示した平面アンテナを適用することができる。ストリップライン、分波フィルターについても、当業界で周知のいかなる構造をも使用することができるのでここでは詳しい説明は省略する。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

接触角と密着性との関係を示すグラフである。 凹部深さと損失との関係を示すグラフである。

Claims (10)

1. 誘電体と、当該誘電体を被覆する導体とを有するパッシブ素子であって、
   当該パッシブ素子は２０ＧＨｚ以上の周波数で動作し、
   前記誘電体は前記導体との界面に凹部及び／又は凸部を有し、
   前記誘電体の導体被覆面を平面に投影した場合に、前記凹部及び／又は凸部の前記平面において占める総面積は、前記平面における前記導体被覆面の面積の１％以上１０％以下であり、
   前記凹部及び／又は凸部の深さは前記周波数を利用して得られるスキンディプスの３倍以上６倍以下であることを特徴とするパッシブ素子。
2. 前記深さは２μｍであることを特徴とする請求項１記載のパッシブ素子。
3. 前記誘電体は、更に、前記導体被覆面の一部に形成される前記導体に覆われないパターンを有することを特徴とする請求項１記載のパッシブ素子。
4. 前記導体が被覆する部位の水に対する接触角は５０°以下であることを特徴とする請求項１記載のパッシブ素子。
5. 前記誘電体は、有機高分子からなるフィラーを含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のパッシブ素子。
   
6. 前記パッシブ素子は、前記誘電体の導体被覆面の一部に前記導体で覆われないパターンを有する平面アンテナであることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のパッシブ素子。
7. 誘電体を導体で被覆し、２０ＧＨｚ以上の周波数で動作するパッシブ素子を製造する方法であって、
   前記誘電体の前記導体との界面に存在する凹部及び／又は凸部と、前記誘電体の導体被覆面の一部に形成される前記導体で覆われないパターンとを、前記誘電体をホットプレス成形又は押し出し成形するときに同時に一体に形成するステップを有し、
   前記形成ステップは、前記凹部及び／又は凸部の深さを、前記所定の周波数を利用して得られるスキンディプスの３倍以上６倍以下に設定し、
   前記誘電体の導体被覆面を平面に投影した場合に、前記凹部及び／又は凸部の前記平面において占める総面積は、前記平面における前記導体被覆面の面積の１％以上１０％以下に設定することを特徴とする方法。
8. 前記導体が被覆する部位の水に対する接触角が５０°以下になるように、前記部位を表面処理するステップを更に有することを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記表面処理ステップは、前記誘電体の表面に乾式表面処理を行うことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記表面処理ステップは、紫外線照射、プラズマ処理、コロナ放電の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。